2019-10-23

海水の酸素濃度上昇が鉄を生成

高酸素下では生物以外にも様々なものが変化・適応してきました。

過去6億年のうち、地球の酸素濃度は、最高で35%,最低で11%の幅で大きく変動していることを示す最新の研究データより、「生物の体制の進化の最大の要因は呼吸に関する適応だ。低酸素環境下では呼吸効率の良さにかかる多くの新しいデザインが現れる。高酸素環境下では多様性が高まる。大量絶滅は酸素濃度が急激に低下したときに観察される」と主張します。そして、低酸素下で進化した代表例が鳥、高酸素下で進化した代表例が哺乳類とされています。(地球の大気・海洋中の酸素濃度の変化が生物進化の方向を決めたより)

生物だけでなく、酸素濃度の上昇により物質が酸化することで様々なものが変化していきます。
その一つが鉄です。

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 この光景は、西オーストラリアのポートヘッドランドという港町から内陸へ向かう途中でのものです。港へ鉄鉱石を運ぶ列車が通りすぎるのを眺めていたのです。待っている車は、ただ一台。もちろんそれは私がのっている車です。機関車は、たった一両で、数え切れないほど連結された貨車を引いていました。ゆっくりとしたスピードなので、より長い時間がかかって通過するのでしょう。

 鉄鉱石は、内陸のピルバラ地域に分布する約25億年前の地層から露天掘りされています。鉱山の周辺には国立公園があり、鉄鉱石の地層のよく見える渓谷があります。平らな乾燥した平原に深く刻まれた渓谷に降りると、鉄鉱石をよく見ることができます。

 赤茶けた、綺麗な縞模様の地層が渓谷の壁面となっています。縞模様は、近づけば数ミリメートルほどの細かい縞模様が見え、離れれば大きなスケールの縞模様が見えてきます。このような縞模様があるため、鉄鉱石を含む地層は、縞状鉄鉱層とよばれています。

縞状鉄鉱層の渓谷

 縞模様は、鉄の多い部分と少ない部分からつくられています。鉄の多い部分が鉄鉱石となります。鉄鉱石は、鉄の酸化物(磁鉄鉱、赤鉄鉱、褐鉄鉱などの鉱物)を主とする岩石です。鉄の少ない部分は、石英を主とするチャートと呼ばれる岩石からできます。

 私が訪れた西オーストラリアのハマスレーは、見渡す限り縞状鉄鉱層の大地です。そんな地層から、露天掘りで鉄鉱石が掘られています。露天掘りされている鉱山は、宇宙からも見えるほど大規模なものです。鉄鉱石を構内で運ぶトラックも巨大で、タイヤだけでも、背丈を越える大きさです。大規模に掘り出された鉄鉱石が、先ほどの貨物列車で港まで運ばれていくのです。

 世界各地に縞状鉄鉱層がみつかっています。もちろんそこでは鉄鉱石が採掘されています。世界の縞状鉄鉱層も、ハマスレーのように大規模なものが多くあります。大規模な縞状鉄鉱層が形成された年代をみていくと、ほとんどが25億年前ころのもので、19億年前より新しい時代のものはなくなります。

 縞状鉄鉱層の形成年代の一致と、縞状鉄鉱層が、ある時以降突然なくなるということには、どんな意味があるのでしょうか。大規模な縞状鉄鉱層が世界各地にあることから、縞状鉄鉱層は、地球全体におよんだ現象によって形成されたと予想できます。

 その現象とはどんなものでしょうか。縞状鉄鉱層は地層ですから、堆積岩の仲間です。堆積岩は海底でたまったものです。鉄鉱石とは、海底に鉄がたまってできたことになります。鉄は、普通 、イオンの状態(Fe2+)では海水に溶けています。なんらかの原因で、より酸化されたイオン(Fe3+)になると、水酸化鉄(Fe(OH)3)となり沈殿します。沈殿した水酸化鉄は、長い時間のうち、脱水作用で酸化鉄へと変わっていきます。

 縞状鉄鉱層の形成とは、海水に溶けていた鉄イオンが、地球規模で酸化されたということを意味します。つまり、海水の大規模な酸化という事件が起こったのです。では、その酸化は、なぜおこったのでしょうか。それは、酸素をつくる生物が、このころから海に大量に生まれたのではないかと考えられています。酸素をつくる生物とは、光合成をする生物のことです。

 縞状鉄鉱層形成のシナリオは次のように考えられています。

 30億年前あるいはもっと以前に生まれた光合成をおこなう生物(シアノバクテリア)が、25億年前ころに大量発生します。酸素のない海では、鉄がイオンとして溶けていました。それが、酸素が供給されることによって、鉄イオンが酸化され、沈殿していきます。光合成生物の活動している季節には酸素が海水中に増え鉄が沈殿し、活動が衰えた季節(あるいは昼夜)には鉄が沈殿せず通常の海底の堆積物(チャート)が沈殿します。このような季節による生物活動の変化が、縞模様をつくっていきます。

 海水中の鉄イオンの大部分が使われてしまうと、酸素と鉄イオンとの濃度がつりあい(平衡になり)ます。海水中の鉄がなくなると、やがて酸素は大気中へと付け加わることとなります。

 大規模な縞状鉄鉱層は、地球の酸素形成という事件の証拠だったのです。生物によって酸素が急激に形成されたおかげで、海で「鉄の晴れ上がり」がおこり、鉄が25億年前の地層に濃集しました。そのおかげて私達は鉄を資源として利用できるのです。

 もしこの酸素形成が急激でなければ、鉄は濃集していなかったはずです。濃集してなければ、鉄は集めにくい資源、貴重な資源となっていたはずです。現代文明は鉄に支えられているのですが、鉄が少ししかない貴重な資源となっていれば全く違った文明となっていたかもしれません。あるいは、まだ鉄器時代はきておらず、石器時代や青銅器時代であったかもしれません。

 

List    投稿者 asaoka-g | 2019-10-23 | Posted in D.地球のメカニズム, D01.地球史No Comments » 

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